Malgraŭ la komplekseco de la temo, la profesoro de Universitato Princeton Stephen Gubser ofertas koncizan, alireblan kaj amuzan enkondukon al unu el la plej diskutitaj areoj de fiziko hodiaŭ. Nigraj truoj estas veraj objektoj, ne nur pensa eksperimento! Nigraj truoj estas ege oportunaj el teoria vidpunkto, ĉar ili estas matematike multe pli simplaj ol la plej multaj astrofizikaj objektoj, kiel steloj. Aferoj iĝas strangaj kiam rezultas, ke nigraj truoj ja ne estas tiom nigraj.
Kio estas vere en ili? Kiel vi povas imagi fali en nigran truon? Aŭ eble ni jam falas en ĝin kaj simple ankoraŭ ne scias pri ĝi?
En Kerr-geometrio, ekzistas geodeziaj orbitoj, tute enfermitaj en la ergosfero, kun la sekva posedaĵo: partikloj moviĝantaj laŭ ili havas negativajn potencialajn energiojn kiuj superas en absoluta valoro la ripozajn masojn kaj kinetajn energiojn de tiuj partikloj kune. Ĉi tio signifas, ke la tuta energio de ĉi tiuj partikloj estas negativa. Estas ĉi tiu cirkonstanco kiu estas uzata en la Penrose-procezo. Dum ene de la ergosfero, la ŝipo eltiranta energion pafas kuglon tiel ke ĝi moviĝas laŭ unu el tiuj orbitoj kun negativa energio. Laŭ la leĝo de konservado de energio, la ŝipo akiras sufiĉan kinetan energion por kompensi la perditan ripozmason ekvivalentan al la energio de la kuglo, kaj krome por akiri la pozitivan ekvivalenton de la neta negativa energio de la kuglo. Ĉar la ĵetaĵo devus malaperi en nigran truon post esti pafita, estus bone fari ĝin el ia rubo. Unuflanke, nigra truo ankoraŭ manĝos ion ajn, sed aliflanke, ĝi redonos al ni pli da energio ol ni investis. Do, krome, la energio, kiun ni aĉetos, estos "verda"!
La maksimuma kvanto de energio kiu povas esti eltirita de Kerr nigra truo dependas de kiom rapide la truo turniĝas. En la plej ekstrema kazo (ĉe la maksimuma ebla rotacia rapideco), la rotacia energio de spactempo respondecas pri proksimume 29% de la totala energio de la nigra truo. Ĉi tio eble ne ŝajnas multe, sed memoru, ke ĝi estas frakcio de la tuta ripoza maso! Por komparo, memoru, ke nukleaj reaktoroj funkciigitaj per radioaktiva disfalo-energio uzas malpli ol unu dekonon de unu procento de la energio ekvivalenta al ripoza maso.
La geometrio de spactempo ene de la horizonto de turniĝanta nigra truo estas dramece diferenca de Schwarzschild spactempo. Ni sekvu nian sondon kaj vidu kio okazas. Komence ĉio aspektas simila al la kazo Schwarzschild. Kiel antaŭe, spactempo komencas kolapsi, trenante ĉion kune kun ĝi al la centro de la nigra truo, kaj tajdaj fortoj komencas kreski. Sed en la kazo Kerr, antaŭ ol la radiuso iras al nulo, la kolapso malrapidiĝas kaj komencas inversiĝi. En rapide rotacianta nigra truo, tio okazos long antaŭ ol tajdaj fortoj iĝos sufiĉe fortaj por minaci la integrecon de la enketo. Por intuicie kompreni kial tio okazas, ni memoru, ke en Newtona mekaniko, dum rotacio, ekestas tiel nomata centrifuga forto. Ĉi tiu forto ne estas unu el la fundamentaj fizikaj fortoj: ĝi estiĝas kiel rezulto de la kombinita ago de fundamentaj fortoj, kiu estas necesa por certigi staton de rotacio. La rezulto povas esti opiniita kiel efika forto direktita eksteren - centrifuga forto. Vi sentas ĝin ĉe akra turniĝo en rapide moviĝanta aŭto. Kaj se vi iam estis sur karuselo, vi scias, ke ju pli rapide ĝi turniĝas, des pli forte vi devas kapti la relojn ĉar se vi ellasas, vi estos elĵetita. Ĉi tiu analogio por spaco-tempo ne estas ideala, sed ĝi transiras ĝuste la punkton. La angula movokvanto en la spactempo de Kerr nigra truo disponigas efikan centrifugan forton kiu kontraŭas la gravitan tiron. Ĉar la kolapso ene de la horizonto tiras spactempon al pli malgrandaj radiusoj, la centrifuga forto pliiĝas kaj poste iĝas kapabla unue kontraŭagi la kolapson kaj tiam inversigi ĝin.
En la momento kiam la kolapso ĉesas, la sondilo atingas nivelon nomitan la interna horizonto de la nigra truo. Ĉe tiu punkto, tajdaj fortoj estas malgrandaj, kaj la sondilo, post kiam ĝi transiris la eventan horizonton, bezonas nur finian kvanton da tempo por atingi ĝin. Tamen, nur ĉar spactempo ĉesis kolapsi ne signifas, ke niaj problemoj estas finitaj kaj ke la rotacio iel forigis la unuopaĵon ene de la Schwarzschild nigra truo. Ĉi tio estas ankoraŭ malproksime! Post ĉio, reen en la mez-1960-aj jaroj, Roger Penrose kaj Stephen Hawking pruvis sistemon de neordinaraĵoteoremoj, el kiu rezultis ke se ekzistis gravita kolapso, eĉ mallonga, tiam ia formo de neordinaraĵo devus formiĝi kiel rezulto. En la Schwarzschild-kazo, ĉi tio estas ĉio-ampleksa kaj tute disbatanta unuopaĵo kiu subigas ĉiun spacon ene de la horizonto. En la solvo de Kerr, la unuopaĵo kondutas alimaniere kaj, mi devas diri, tute neatendite. Kiam la enketo atingas la internan horizonton, la Kerr-neordinaraĵo rivelas sian ĉeeston - sed ĝi montriĝas en la kaŭza pasinteco de la mondlinio de la enketo. Kvazaŭ la singularo ĉiam estis tie, sed nur nun la sondilo sentis, ke ĝia influo atingas ĝin. Vi diros, ke ĉi tio sonas mirinda, kaj ĝi estas vera. Kaj estas pluraj nekonsekvencoj en la bildo de spactempo, el kiuj ankaŭ estas klare, ke ĉi tiu respondo ne povas esti konsiderata fina.
La unua problemo kun neordinaraĵo aperanta en la pasinteco de observanto kiu atingas la internan horizonton estas ke en tiu momento la ekvacioj de Einstein ne povas unike antaŭdiri kio okazos al spactempo ekster tiu horizonto. Tio estas, iusence, la ĉeesto de unuopaĵo povas konduki al io ajn. Eble tio, kio efektive okazos, povas esti klarigita al ni per la teorio de kvantuma gravito, sed la ekvacioj de Einstein donas al ni neniun ŝancon scii. Nur pro intereso, ni priskribas ĉi-sube kio okazus, se ni postulus, ke la intersekco de la spactempa horizonto estu kiel eble plej glata matematike (se la metrikaj funkcioj estus, kiel matematikistoj diras, "analitikaj"), sed ne ekzistas klara fizika bazo. por tia supozo Ne. En esenco, la dua problemo kun la interna horizonto sugestas ĝuste la malon: en la reala Universo, en kiu materio kaj energio ekzistas ekster nigraj truoj, spactempo ĉe la interna horizonto iĝas tre malglata, kaj buklosimila neordinaraĵo disvolviĝas tie. Ĝi ne estas tiel detrua kiel la senfina tajda forto de la unuopaĵo en la solvo de Schwarzschild, sed ĉiukaze ĝia ĉeesto dubas pri la sekvoj kiuj sekvas el la ideo de glataj analizaj funkcioj. Eble tio estas bona afero - la supozo de analiza ekspansio implicas tre strangajn aferojn.
En esenco, tempomaŝino funkcias en la regiono de fermitaj tempsimilaj kurboj. Malproksime de la unuopaĵo, ekzistas neniuj fermitaj tempsimilaj kurboj, kaj krom la repuŝfortoj en la regiono de la singularo, spactempo aspektas tute normala. Tamen estas trajektorioj (ili ne estas geodeziaj, do vi bezonas raketmotoron) kiuj kondukos vin al la regiono de fermitaj tempsimilaj kurboj. Post kiam vi estas tie, vi povas moviĝi en ajna direkto laŭ la koordinato t, kiu estas la tempo de la malproksima observanto, sed en via propra tempo vi ankoraŭ ĉiam antaŭeniros. Ĉi tio signifas, ke vi povas iri kiam ajn vi volas, kaj poste reveni al malproksima parto de spactempo - kaj eĉ alveni tien antaŭ ol vi foriros. Kompreneble, nun ĉiuj paradoksoj asociitaj kun la ideo de tempovojaĝado realiĝas: ekzemple, kio se, per tempopromenado, vi konvinkis vian pasintan memon rezigni ĝin? Sed ĉu tiaj specoj de spactempo povas ekzisti kaj kiel la paradoksoj asociitaj kun ĝi povas esti solvitaj estas demandoj ekster la amplekso de ĉi tiu libro. Tamen, same kiel ĉe la problemo de la "blua unuopaĵo" ĉe la interna horizonto, ĝenerala relativeco enhavas indikojn ke regionoj de spactempo kun fermitaj tempsimilaj kurboj estas malstabilaj: tuj kiam vi provas kombini ian kvanton da maso aŭ energio. , ĉi tiuj regionoj povas fariĝi unuopaj. Krome, en la rotaciaj nigraj truoj kiuj formiĝas en nia Universo, estas la "blua unuopaĵo" mem kiu povas malhelpi la formadon de regiono de negativaj masoj (kaj ĉiuj aliaj universoj de Kerr en kiujn blankaj truoj kondukas). Tamen, la fakto ke ĝenerala relativeco permesas tiajn strangajn solvojn estas intriga. Kompreneble, estas facile deklari ilin patologio, sed ni ne forgesu, ke Einstein mem kaj multaj el liaj samtempuloj diris la samon pri nigraj truoj.
» Pliaj detaloj pri la libro troveblas ĉe
Por Khabrozhiteley 25% rabato uzante kuponon - Nigraj truoj
Post pago de la papera versio de la libro, elektronika versio de la libro estos sendita retpoŝte.
fonto: www.habr.com